本发明涉及用于制造能量存储装置的技术。更具体地，本发明提供了集成能量存储系统，其向需要高脉冲功率和/或需要低操作温度的应用装置和/或系统提供电源。
背景技术：
：能量存储装置可用于多种应用，比如消费电子装置、车辆或电网；其中，消费电子装置包括但不限于：mp3播放器、智能手机、平板电脑、笔记本电脑、智能手表、活动跟踪器和其他可穿戴装置；其中车辆包括但不限于：混合动力电动巴士、电动巴士、混合动力电动汽车、电动汽车、电动自行车、电动摩托车、电动踏板车、电动高尔夫球车、火车、轮船、飞机、电动飞机、直升机、无人驾驶飞行器、电动无人飞行器、无人驾驶飞机、其他飞行器、空间站、航天飞机、太空飞机、卫星、无人驾驶航天器、其他航天器以及其他混合动力电动车辆、插电式混合动力电动车辆和电动车辆；其中电网包括但不限于用于住宅、商业建筑和社区的独立微电网以及集中式电网。此外，这种能量存储装置可用于电信系统、手机和天线塔、数据中心及不间断电源。技术实现要素：随着应用继续要求从诸如电池的能量源提供更大的功率和效率，用于改进固态薄膜电池装置的技术仍是高度期望的。本发明包括固态能量存储电池装置，其配置成为需要高脉冲功率并且需要低温启动的各种应用提供能量。此外，本发明包括一种混合集成能量存储系统，以向需要高脉冲功率和/或低操作温度的应用装置和/或系统提供电源。在一些实施例中，一种集成能量存储系统包括：第一多个能量存储单元，其包括铅酸电池、镍镉电池、镍金属氢化物电池、锂离子电池、锂离子聚合物电解质电池、锂离子聚合物凝胶电解质电池、锂离子固态电池、锂离子固态薄膜电池、金属空气电池、钠离子电池、镁离子电池、燃料电池单元、电容器和超级电容器中的一个或多个，其中第一多个能量存储单元在高于0℃的环境温度下其重量能量密度大于180wh/kg且体积能量密度大于450wh/l；第二多个能量存储单元，其包括铅酸电池、镍镉电池、镍金属氢化物电池、锂离子电池、锂离子聚合物电解质电池、锂离子聚合物凝胶电解质电池、锂离子固态电池、锂离子固态薄膜电池、金属空气电池、钠离子电池、镁离子电池、燃料电池单元、电容器和超级电容器中的一个或多个，其中第二多个能量存储单元在高于0℃的环境温度下其重量功率密度大于450w/kg且体积功率密度大于1080w/l；第三多个能量存储单元，其包括铅酸电池、镍镉电池、镍金属氢化物电池、锂离子电池、锂离子聚合物电解质电池、锂离子聚合物凝胶电解质电池、锂离子固态电池、锂离子固态薄膜电池、金属空气电池、燃料电池单元、电容器和超级电容器中的一个或多个，其中第三多个能量存储单元配置为在低至-100℃的环境温度下操作；以及控制器，其被编程为从一个或多个电压传感器、一个或多个电流传感器和一个或多个温度传感器接收一个或多个输入，并且根据来自应用负载和环境温度的功率消耗在第一多个能量存储单元、第二多个能量存储单元和第三多个能量存储单元之间分配电流或功率。在一些实施例中，控制器被编程为根据来自应用负载的功率消耗分配来自第二多个能量存储单元的电流或功率，并且第一多个能量存储单元配置为处理功率以延长操作时间。在一些实施例中，控制器被编程为当环境温度低于设定点值时向第三多个能量存储单元分配电流或功率，并且控制器配置为当环境温度高于操作温度下限时向至少第一多个能量存储单元或第二多个能量存储单元分配电流或功率。在一些实施例中，第一多个能量存储单元在高于0℃的环境温度下其重量能量密度大于200wh/kg且体积能量密度大于500wh/l。在一些实施例中，第二多个能量存储单元的重量功率密度大于500w/kg且体积功率密度大于1200w/l。在一些实施例中，第三多个能量存储单元配置为在低至-100℃的环境温度下操作。在一些实施例中，控制器被编程为将功率从第三多个能量存储单元传递到至少第一多个能量存储单元或第二多个能量存储单元以使用电阻加热来加热至少第一多个能量存储单元或第二多个能量存储单元。在一些实施例中，控制器被编程为使用来自一个或多个电压传感器的检测电压值、来自一个或多个电流传感器的检测电流值以及来自一个或多个温度传感器的检测温度来确定至少第一多个能量存储单元、第二多个能量存储单元和/或第三多个能量存储单元的充电状态或剩余容量。在一些实施例中，控制器被编程为使用至少第一多个能量存储单元、第二多个能量存储单元和/或第三多个能量存储单元的所确定的充电状态或剩余容量来平衡来自第一多个能量存储单元、第二多个能量存储单元和/或第三多个能量存储单元的功率传递。在一些实施例中，控制器包括配置为与能量源连接的充电器，以对第一多个能量存储单元、第二多个能量存储单元和/或第三多个能量存储单元进行再充电。在一些实施例中，第一多个能量存储单元、第二多个能量存储单元和第三多个能量存储单元配置为串联或并联连接，以在充电和放电期间调节系统的电压。在一些实施例中，本发明提供了一种能量存储电池装置，其配置为以脉冲功率为应用负载提供高总能量，优选为固态能量存储电池装置。术语固态意在包括包含陶瓷、玻璃、聚合物或类聚合物电解质的电池单元。该装置可以包括至少两个固态电化学电池单元，每个电化学电池单元至少包括阳极层、电解质层、阴极层、集电器层和阻挡层。至少一个固态电化学电池单元的特征在于较薄阴极层配置为供应能量用于脉冲功率消耗，其中阴极厚度的范围为从0.01微米至120微米。至少一个固态电化学电池单元的特征在于较厚阴极层配置为供应能量用于低于脉冲功率的基准功率消耗，其中阴极厚度的范围为从0.05微米至360微米，并且其中脉冲功率高于应用负载消耗的基准功率，并且持续不到一分钟。在一些实施例中，较薄阴极层的厚度和较厚阴极层的厚度通过计算机辅助工程来确定，以针对给定质量和/或体积以及给定应用负载功率消耗曲线来传递最大能量。可以通过控制器接口将应用负载耦合到装置，该控制器接口配置为从负载中检测功率消耗水平，并且将大部分或全部放电电流和/或功率分配给用于所检测的高脉冲功率的较薄阴极电化学电池单元以及用于所检测的低基准功率的较厚阴极电化学电池单元。在一些实施例中，本发明可以提供一种固态能量存储电池装置，其配置为在低温启动期间为应用负载提供能量。该装置可以包括至少两个固态电化学电池单元，每个电化学电池单元至少包括阳极层、电解质层、阴极层、集电器层和阻挡层。至少一个固态电化学电池单元的特征在于较薄阴极层配置为在-100℃至范围为从-50℃到50℃的设定点值的环境温度下供应能量，其中阴极厚度的范围为从0.01微米至120微米。至少一个固态电化学电池单元的特征在于较厚阴极层配置为在高于范围为从-50℃到50℃的设定点值的环境温度下供应能量，其中阴极厚度的范围为从0.05微米至360微米。在一些实施例中，较薄阴极层的厚度和较厚阴极层的厚度通过计算机辅助工程来确定，以针对给定质量和/或体积以及给定环境温度传递最大能量。同样，可以通过控制器接口将应用负载耦合到装置，该控制器接口配置为检测环境温度，并将大部分或全部放电电流和/或功率分配给用于所检测的低环境温度的较薄阴极电化学电池单元以及用于所检测的高环境温度的较厚阴极电化学电池单元。较薄阴极电化学电池单元配置为当环境温度在冷启动期间低于范围为从-50℃至50℃的设定点值时提供电能以通过电加热来加热较厚阴极电化学电池单元。电化学电池单元或电池可以使用至少物理气相沉积(pvd)过程来制造，该过程包括通过热手段、电子束加热、电阻加热、感应加热、离子束加热、激光烧蚀、分子束外延、离子束辅助沉积(ibad)、紧密耦合升华、气体团簇离子束的pvd；通过动量转移、二极管溅射、磁控溅射、不平衡磁控溅射、高功率脉冲磁控溅射、rf溅射、dc溅射、mf溅射、圆柱形溅射、空心阴极溅射、溅射蒸发、离子束溅射、溅射离子簇、偏压溅射、阴极电弧、过滤后的阴极电弧的物理气相沉积；通过背景气体、离子束辅助沉积(ibad)、等离子体激活的pvd的反应性物理气相沉积、及其组合。可以使用气溶胶沉积技术来制造电化学电池单元或电池。该装置可以包括耦合至该装置的充电器，充电器配置为与能量源连接，从而以恒定电流再充电曲线或恒定电压再充电曲线对所述装置进行再充电，其中恒定电流之后是恒定电压再充电曲线。而且，该装置可以配置为从消费电子装置、车辆或电网向应用负载提供能量。此外，这种能量存储装置可以用于电信系统、手机和天线塔、数据中心以及不间断电源。在一些实施例中，本发明提供了一种控制能量存储电池装置的系统，该电池装置具有设计用于脉冲功率负载和低温启动的较薄阴极电化学电池单元和较厚阴极电化学电池单元。该系统可以包括：至少电压传感器，其配置为监测电池装置的电压，该电压传感器包括两个或更多个电压探针；至少电流传感器，其配置为监测通过电池装置的电流，该电流传感器包括两个或更多个电流探针；至少温度传感器，其配置为监测电池的温度，该温度传感器包括至少一个温度探针；至少温度传感器，其配置为监测环境温度，该温度传感器包括至少温度探针；以及至少控制器，其配置为接收来自电压传感器、电流传感器和温度传感器的一个或多个输入，并传输控制信号以根据来自功率负载的功率消耗和环境温度在较薄阴极电化学电池单元和较厚阴极电化学电池单元之间分配大部分或全部放电电流和/或功率。在一些实施例中，控制器配置为在较薄和较厚阴极电化学电池单元之间分配大部分或全部放电电流和/或功率；大部分或全部放电电流和/或功率分配给：当功率消耗在脉冲功率期间较高时和/或当环境温度在冷启动期间低于范围为从-50℃至50℃的设定点值时的较薄阴极电化学电池单元；以及当功率消耗在基准功率期间较低时和/或当环境温度高于范围为从-50℃至50℃的设定点值时的较厚阴极电化学电池单元。在一些实施例中，控制器配置为当环境温度低于设定点值时分配从较薄阴极电化学电池单元传递的能量/功率，并且使用该能量/功率的一部分以在冷启动期间使用电阻加热来加热较厚阴极电化学电池单元；温度设定点值的范围为从-10℃至10℃或-50℃至50℃。在一些实施例中，控制器还配置为动态改变固态能量存储电池装置中的电化学电池单元和/或模块之间的串联和/或并联连接，以在充电和放电期间调节装置的电压；其中电池单元和/或模块之间的串联和/或并联连接在不同的串联-并联连接配置之间被动态切换，以实现期望的电池组和/或模块电压范围，实现模块和/或电池单元之间的平衡，旁路故障模块和/或电池单元，并准备模块和/或电池单元进行再充电；其中通过配置所有接通-断开开关的接通和断开状态来实现电池单元和/或模块的不同串联-并联连接配置；每个电池单元和/或模块配置为与六个接通-断开开关相关以形成重复组；开关是晶体管；开关是场效应晶体管，其包括金属氧化物半导体场效应晶体管；一旦电池组和/或模块电压下降到设定点值以下或上升到设定点值以上，则动态切换连接配置。在一些实施例中，控制器配置为使用来自电压传感器的所检测的电压值、来自电流传感器的所检测的电流值以及来自温度传感器的所检测的温度来确定较薄和较厚阴极电化学电池单元的充电状态和剩余容量；其中控制器配置为使用电压查找、库仑计数、卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、基于无味变换的预测-校正滤波来确定电化学电池单元的充电状态；其中控制器配置为使用基于物理的电池模型、等效电路电池模型和其他降阶电池模型以及卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、基于无味变换的预测-校正滤波来确定电化学电池单元的充电状态；其中控制器配置为使用较薄和较厚电化学电池单元的所确定的充电状态和剩余容量以基于功率负载曲线和环境温度来平衡这些电池单元。在一些实施例中，控制器包括配置为与能量源连接的充电器，从而以恒定电流再充电曲线或恒定电压再充电曲线对固态能量存储电池装置进行再充电，其中恒定电流之后是恒定电压再充电曲线；其中控制器配置为基于这些相应电池单元中的每个的标称容量向较薄阴极和较厚阴极电化学电池单元提供指定量的充电电流。附图说明为了更充分地理解本发明，参考附图。理解这些附图不应被认为是对本发明范围的限制，通过使用附图来更详细地描述当前描述的实施例和当前理解的本发明的最佳模式，其中：图1是示出根据本发明实施例的固态能量存储电池装置的功率曲线的简化图。图2是示出根据本发明实施例的固态能量存储电池装置的放电曲线的简化图。图3是示出根据本发明实施例的固态能量存储电池装置的截面图的简化图。图4是示出根据本发明实施例的固态能量存储薄电池单元的放电曲线的简化图。图5是示出根据本发明实施例的固态能量存储厚电池单元的放电曲线的简化图。图6是示出根据本发明实施例的薄厚电池单元的性能的简化图。图7是示出根据本发明实施例的用于负载连接到固态能量存储电池单元的等效电路的简化电路图。图8是示出根据本发明实施例的从固态能量存储电池单元向系统负载的可传递功率的简化图。图9是示出根据本发明实施例的用于负载连接到具有两个串联连接的电池单元的固态能量存储电池装置的等效电路的简化电路图。图10是示出根据本发明实施例的从具有两个串联连接的电池单元的固态能量存储电池装置向系统负载的可传递功率的简化图。图11是根据本发明实施例的电化学电池单元的截面图的简化图。图12是根据本发明实施例的用于控制固态电池装置的系统的简化框图。图13是示出根据本发明实施例的在各种温度下ni-cd和li离子电池的每单位体积的可传递能量的简化图。图14a-14e是示出根据本发明各个实施例的通过电池组的放电的电池模块串联-并联连接配置的简化图。图15a-15e是示出根据本发明各个实施例的通过电池组的放电来实现期望的电池模块串联-并联连接配置的接通-断开开关的状态的简化图。图16a和16b是示出根据本发明实施例的使用基于多物理学的无味变换预测-校正滤波的正弦放电期间的电压响应以及在阴极和电解质界面处的估计浓度的收敛的简化图。具体实施方式传统的电池装置努力解决多种关键的操作条件。其中一些条件包括处理冷启动和脉冲功率。当前技术教导了诸如使加热器一直保持操作以维持操作电池组温度的技术。此类方法在能源效率方面非常低。本发明的实施例通过具有使用混合设计配置的电池装置来解决这些问题。这种混合设计使用了薄阴极和厚阴极电池单元。薄阴极电池单元能够处理冷启动，也可以用来加热厚阴极电池单元。薄阴极电池单元也能够处理脉冲功率。另一方面，厚阴极电池单元能够处理基准功率。通过以串联连接设计提供这些电池单元类型，可以在提高输出电压的同时解决关键的操作条件。本发明的实施例通过具有使用混合集成设计配置的能量存储系统来进一步解决这些问题。该系统使用高能量能量存储单元、高功率能量存储单元和低温能量存储单元来向需要高脉冲功率和/或低操作温度的应用装置和/或系统提供电源。在一些实施例中，较薄阴极层的厚度由计算机辅助工程确定，以针对给定质量和/或体积以及给定应用负载功率消耗曲线和/或给定环境温度传递最大能量；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的钒氧化物及其变体的阴极材料，较薄阴极层的厚度的范围为从0.01微米至100微米，钒氧化物及其变体包括掺杂有ag、cu、fe、zn、ruo2及其组合的v2o5、v(2 y)o(5 z)(-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)、v3o8、lixv2o5(0≤x<3)、lixv(2 y)o(5 z)(0≤x<3,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)、lixv3o8(0≤x<4)、v6o13、v5o15、vo2、v2o4以及lixv(2 y)o(5 z)(0≤x<3,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的锰氧化物及其变体的阴极材料，较薄阴极层的厚度的范围为从0.01微米至110微米，锰氧化物及其变体包括掺杂有al、co、cr、cu、fe、mg、ni、pt及其组合的mn2o4、lixmn2o4(0≤x<2)、lixmn2 yo4 z(0≤x<2,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)、mn2o3、lixmn2o3(0≤x<2)以及lixmn2 yo4 z(0≤x<2,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的钴氧化物及其变体的阴极材料，较薄阴极层的厚度的范围为从0.01微米至120微米，钴氧化物及其变体包括掺杂有al、cr、cu、fe、mg、ni、mn、pt、zn及其组合的coo2、licoo2、lixco(1 y)o(2 z)(0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)以及lixco(1 y)o(2 z)(0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的锂锰钴氧化物及其变体的阴极材料，较薄阴极层的厚度的范围为从0.01微米至110微米，锂锰钴氧化物及其变体包括掺杂有al、f、fe、mg、si及其组合的ni1/3co1/3mn1/3o2、lini1/3co1/3mn1/3o2、lixni(1/3 y)co(1/3 z)mn(1/3 m)o(2 n)(0≤x<1.1,-1/3≤y≤2/3,-1/3≤z≤2/3,-1/3≤m≤2/3,-0.5<n<0.5)、lixni(1/3 y)co(1/3 z)mn(1/3 m)o(2 n)(0≤x<1.1,-1/3≤y≤2/3,-1/3≤z≤2/3,-1/3≤m≤2/3,-0.5<n<0.5)以及lixniycoz(0≤x<1.1,1/3≤y≤2/3,-1/3≤z≤2/3)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的磷酸铁及其变体的阴极材料，较薄阴极层的厚度的范围为从0.01微米至100微米，磷酸铁及其变体包括掺杂有ag、c、cu、fe、mg、mn、ti、zn及其组合的fepo4、lifepo4、mpo4(m＝v,mn,co,ni或fe)、limpo4(m＝v,mn,co,ni或fe)、lixm(1 y)p(1 z)o(4 m)(m＝v,mn,co,ni或fe,0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5,-0.5<m<0.5)以及lixm(1 y)p(1 z)o(4 m)(m＝v,mn,co,ni或fe,0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5,-0.5<m<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的硫、硫化锂及其变体的阴极材料，较薄阴极层的厚度的范围为从0.01微米至100微米，硫、硫化锂及其变体包括掺杂有碳的s8、li2s、li2s4、lixsy(0≤x<16,1≤y≤8)以及lixsy(0≤x<16,1≤y≤8)。在一些实施例中，较厚阴极层的厚度通过计算机辅助工程来确定，以针对给定质量和/或体积以及给定应用负载功率消耗曲线和/或给定环境温度来传递最大能量；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的钒氧化物及其变体的阴极材料，较厚阴极层的厚度的范围为从0.05微米至300微米，钒氧化物及其变体包括掺杂有ag、cu、fe、zn、ruo2及其组合的v2o5、v(2 y)o(5 z)(-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)、v3o8、lixv2o5(0≤x<3)、lixv(2 y)o(5 z)(0≤x<3,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)、lixv3o8(0≤x<4)、v6o13、v5o15、vo2、v2o4以及lixv(2 y)o(5 z)(0≤x<3,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的锰氧化物及其变体的阴极材料，较厚阴极层的厚度的范围为从0.05微米至330微米，锰氧化物及其变体包括掺杂有al、co、cr、cu、fe、mg、ni、pt及其组合的mn2o4、lixmn2o4(0≤x<2)、lixmn2 yo4 z(0≤x<2,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)、mn2o3、lixmn2o3(0≤x<2)以及lixmn2 yo4 z(0≤x<2,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的钴氧化物及其变体的阴极材料，较厚阴极层的厚度的范围为从0.05微米至360微米，钴氧化物及其变体包括掺杂有al、cr、cu、fe、mg、ni、mn、pt、zn及其组合的coo2、licoo2、lixco(1 y)o(2 z)(0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)以及lixco(1 y)o(2 z)(0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的锂锰钴氧化物及其变体的阴极材料，较厚阴极层的厚度的范围为从0.05微米至330微米，锂锰钴氧化物及其变体包括掺杂有al、f、fe、mg、si及其组合的ni1/3co1/3mn1/3o2、lini1/3co1/3mn1/3o2、lixni(1/3 y)co(1/3 z)mn(1/3 m)o(2 n)(0≤x<1.1,-1/3≤y≤2/3,-1/3≤z≤2/3,-1/3≤m≤2/3,-0.5<n<0.5)、lixni(1/3 y)co(1/3 z)mn(1/3 m)o(2 n)(0≤x<1.1,-1/3≤y≤2/3,-1/3≤z≤2/3,-1/3≤m≤2/3,-0.5<n<0.5)以及lixniycoz(0≤x<1.1,1/3≤y≤2/3,-1/3≤z≤2/3)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的磷酸铁及其变体的阴极材料，较厚阴极层的厚度的范围为从0.05微米至300微米，磷酸铁及其变体包括掺杂有ag、c、cu、fe、mg、mn、ti、zn及其组合的fepo4、lifepo4、mpo4(m＝v,mn,co,ni或fe)、limpo4(m＝v,mn,co,ni或fe)、lixm(1 y)p(1 z)o(4 m)(m＝v,mn,co,ni或fe,0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5,-0.5<m<0.5)以及lixm(1 y)p(1 z)o(4 m)(m＝v,mn,co,ni或fe,0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5,-0.5<m<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的硫、硫化锂及其变体的阴极材料，较厚阴极层的厚度的范围为从0.05微米至300微米，硫、硫化锂及其变体包括掺杂有碳的s8、li2s、li2s4、lixsy(0≤x<16,1≤y≤8)以及lixsy(0≤x<16,1≤y≤8)。在一些实施例中，具有较薄阴极层的电化学电池单元可以传递大于500w/kg的重量功率密度和大于1200w/l的体积功率密度；其中，具有较薄阴极层的电化学电池单元可在低至-100℃的环境温度下操作；其中，具有较厚阴极层的电化学电池单元可以传递大于200wh/kg的重量能量密度和大于500wh/l的体积能量密度；其中，具有较厚阴极层的电化学电池单元可在高于0℃的环境温度下传递大于180wh/kg的重量能量密度和大于450wh/l的体积能量密度。在一些实施例中，固态能量存储装置还包括控制器接口，其配置为从所连接的应用负载中检测功率消耗水平，并且将大部分或全部放电电流和/或功率分配给用于所检测的高脉冲功率的较薄阴极电化学电池单元以及用于所检测的低基准功率的较厚阴极电化学电池单元；并且还包括耦合到装置的充电器，该充电器配置为与能量源连接，从而以恒定电流再充电曲线或恒定电压再充电曲线对装置进行再充电，其中恒定电流之后是恒定电压再充电曲线。在一些实施例中，固态能量存储装置配置为从消费电子装置、车辆或电网向应用负载提供能量；其中，消费电子装置包括但不限于：mp3播放器、智能手机、平板电脑、笔记本电脑、智能手表、活动跟踪器和其他可穿戴装置；其中车辆包括但不限于：混合动力电动巴士、电动巴士、混合动力电动汽车、电动汽车、电动自行车、电动摩托车、电动踏板车、电动高尔夫球车、火车、轮船、飞机、电动飞机、直升机、无人驾驶飞行器、电动无人飞行器、无人驾驶飞机、其他飞行器、空间站、航天飞机、太空飞机、卫星、无人驾驶航天器、其他航天器以及其他混合动力电动车辆、插电式混合动力电动车辆和电动车辆；其中电网包括但不限于用于住宅、商业建筑和社区的独立微电网以及集中式电网；固态能量存储装置配置为向用于电信系统、手机和天线塔、数据中心以及不间断电源的应用负载提供能量。在第一示例中，本发明可以提供具有薄和厚阴极电池单元的混合设计的固态能量存储电池装置，以满足脉冲功率需求。在特定实施例中，电池装置的尺寸规定为7.2cm×3.2cm×0.5cm，其为7.2cm长、3.2cm宽和0.5cm厚。根据具体应用，还可以使用其他尺寸。图1是示出根据本发明实施例的固态能量存储电池装置的功率曲线的简化图。该曲线可以代表第一示例的先前描述的电池装置。如该图所示，基准功率为1.06w，不包括基准功率的脉冲功率为10.6–1.06＝9.54w。10.6w的脉冲功率每3000秒(示出为t1)发生一次且仅持续20秒(示出为t2)。图2是示出根据本发明实施例的固态能量存储电池装置的放电曲线的简化图。在特定实施例中，该图表示经受来自先前附图的给定功率需求的厚阴极电池单元设计的放电曲线。如果使用包括具有1.0μm阴极和0.4μm电解质的电化学电池单元的电池来为图1所示的曲线供电，则电池只能在电池达到1.5v的放电截止电压之前持续4.2小时，如图2所示。然而，如果电池的混合设计包括薄和厚阴极电池单元，则基准功率可以由厚阴极电化学电池单元提供，而脉冲功率可以由薄阴极电化学电池单元提供。可用于电池的指定总体积可分为两个槽，分别用于薄和厚阴极电池单元。在特定实施例中，薄阴极电池单元分配有7.2cm×3.2cm×0.1cm的分隔体积，而厚阴极电池单元分配有7.2cm×3.2cm×0.4cm的体积，如图3所示。图3是示出根据本发明实施例的固态能量存储电池装置的截面图的简化图。该图可以示出具有如前所述的薄和厚阴极电池单元的混合设计的实施例。换句话说，将总可用体积的80％分配给较厚阴极电池单元以恒定提供1.06w的基准功率，将总可用体积的20％分配给较薄阴极电池单元以提供9.54w的脉冲功率(不包括1.06w的基准功率)。在特定实施例中，薄阴极电池单元中的阴极厚度为0.2μm，而厚阴极电池单元中的阴极厚度为1.0μm。薄和厚电池单元的电解质厚度均为0.4μm。图4是示出根据本发明实施例的固态能量存储薄电池单元的放电曲线的简化图。如果使用薄和厚阴极电池单元的混合设计的电池来提供根据图1的曲线的功率，则薄阴极电池单元在电压达到2v之前传递高脉冲功率达10小时，如图4所示。这仍高于1.5v的截止电压。图5是示出根据本发明实施例的固态能量存储厚电池单元的放电曲线的简化图。厚阴极电池单元在电压达到1.6v之前传递基准功率达8.9小时，如图5所示。这仍高于1.5v的截止电压。对于给定功率需求，薄和厚阴极电池单元的混合电池设计持续超过8.9小时，而对于相同的给定功率需求，单个厚阴极电池单元电池设计仅持续4.2小时。薄和厚阴极电池单元的混合设计为脉冲功率需求提供了明显的优势。性能上的这种改进是可以通过本发明的实施例实现的益处之一。在第二示例中，本发明可以提供使用计算机模拟投影的优化的高功率电池单元阴极厚度的固态能量存储电池装置。在该示例中，确定了薄和厚阴极电池单元之间的体积分配比，以使薄和厚阴极电池单元的放电结束时间尽可能接近。这是针对多个不同的薄阴极厚度(包括0.1μm、0.2μm和0.3μm)进行的。表1：不同薄阴极厚度的确定的体积分配比以及高功率和高能量电池单元的最终放电结束时间如表1所示，如果薄阴极厚度使用0.1μm并传递高脉冲功率，则分配给薄阴极的高功率电池单元的最佳体积为19.2％。高功率电池单元(薄阴极电池单元)的最终操作时间为9.23小时，而高能量电池单元(厚阴极电池单元)的最终操作时间为9.37小时。该表表明，与上述相比，在三个不同的薄阴极厚度设计之间，具有0.2μm的薄阴极厚度和分配17.5％的体积产生9.61小时的最长组合操作时间。在第三示例中，本发明可以使用在不同温度下的薄和厚阴极电化学电池单元的计算机模拟投影的重量能量密度来提供固态能量存储电池装置。该示例示出了冷启动期间薄阴极电池单元的优势。在这种情况下，薄阴极厚度为0.3μm，而厚阴极厚度为1.0μm。两个电池单元在各种环境温度下均以c/2放电。在一实施例中，本发明提供了一种固态能量存储电池装置，配置为在低温启动期间为应用负载提供能量，该装置包括：至少两个固态电化学电池单元，每个电化学电池单元至少包括阳极层、电解质层、阴极层、集电器层和阻挡层；其中，至少一个固态电化学电池单元的特征在于较薄阴极层配置为在-100℃至范围为从-50℃到50℃的设定点值的环境温度下供应能量，阴极厚度的范围为从0.01微米至120微米；其中，至少一个固态电化学电池单元的特征在于较厚阴极层配置为在高于范围为从-50℃到50℃的设定点值的环境温度下供应能量，阴极厚度的范围为从0.05微米至360微米。在一些实施例中，固态能量存储装置还包括多个较薄和较厚阴极电池单元或包括多个电池模块的电池组，其中每个模块包括多个较薄且较厚阴极电池单元。在一些实施例中，固态能量存储装置还包括串联、并联或其组合连接的多个电池模块；其中电池模块包括串联、并联或其组合连接的多个电池单元；该装置还包括串联、并联或以其组合连接的多个电池单元，其中电池单元之间的串联和/或并联连接被动态改变以在充电和放电期间调节装置的电压；该装置还包括串联、并联或以其组合连接的多个电池模块；其中电池模块之间的串联和/或并联连接被动态改变以在充电和放电期间调节装置的电压；其中，电池单元和/或模块之间的串联和/或并联连接在不同的串联-并联连接配置之间被动态切换，以实现期望的电池组和/或模块电压范围，实现模块和/或电池单元之间的平衡，旁路故障模块和/或电池单元，并准备模块和/或电池单元进行再充电；其中通过配置所有接通-断开开关的接通和断开状态来实现电池单元和/或模块的不同串联-并联连接配置；每个电池单元和/或模块配置为与六个接通-断开开关相关以形成重复组；开关是晶体管；开关是场效应晶体管，其包括金属氧化物半导体场效应晶体管；一旦电池组和/或模块电压下降到设定点值以下或上升到设定点值以上，则动态切换连接配置。图6是示出根据本发明实施例的薄和厚电池单元的性能的简化图。具体地，该图描绘了根据第三示例的条件的薄和厚电池单元的性能。图6示出，通过重量能量密度(每单位质量的能量，wh/kg)测量的可达到的能量在很大程度上取决于温度和阴极厚度。为了在寒冷的环境温度(低于0℃)下传递可接受的能量，必须使用薄阴极电池单元。因此，薄和厚阴极电池单元的混合电池设计能够在冷启动期间以仅由薄阴极电池单元提供的所需能量/功率来传递所需能量/功率。在第四示例中，本发明可以提供一种固态能量存储电池装置，其使用两个串联连接的电池单元来传递所需功率。传递脉冲功率的另一种方法是串联连接电池单元，以增加电池的输出电压。有时，由于安全电路、连接器和其他电路板，因为所需的更高放电电流以及电池与应用之间现有功率路径电阻，单个电池甚至无法传递所需功率。图7是示出根据本发明实施例的用于负载连接到固态能量存储电池单元的等效电路的简化电路图。在特定实施例中，本发明可以包括具有6cm×12.3cm×0.49cm的规定体积的电池装置，假设电池与功率消耗点之间的功率路径电阻器为150mω，则需要电池向负载传递10w脉冲功率。如图7所示，该电路图示出了电池、功率路径电阻器和系统负载。图8是示出根据本发明实施例的从固态能量存储电池单元向系统负载的可传递功率的简化图。图8示出了对于单个电池的不同开路电压(e0)的可传递功率与放电电流密度(每单位面积电流)的关系，假设电池的内部电阻与功率路径电阻相比可忽略不计。表明对于2.5v、3.0v和3.5v的开路电压，电池仍以适当调节放电电流密度向负载传递10w脉冲功率。然而，当电池开路电压下降到2.0v(在这种情况下仍高于1.5v的电池放电截止电压)时，无论放电电流密度所取值如何，都无法向负载传递10w脉冲功率。在一些实施例中，两个电池单元可以串联连接，每个当成单元占据应用中分配给电池装置的总体积的一半，以便传递高脉冲功率。两个串联连接的电池单元的输出电压较高，而传递相同功率所需的电流较小。因此，在功率路径电阻器处的功率损耗较小。因此，更多的功率可被直接传递给应用系统负载。图9是示出根据本发明实施例的用于负载连接到具有两个串联连接的电池单元的固态能量存储电池装置的等效电路的简化电路图。该图描绘了相应的串联连接的电池单元(如前所述)以及功率路径电阻器和系统负载。图10是示出根据本发明实施例的从具有两个串联连接的电池单元的固态能量存储电池装置向系统负载的可传递功率的简化图。如图10所示，即使开路电压下降到1.5v的截止值，两个串联连接的电池单元也可以适当选择的放电电流密度值传递高于10w的功率。在第五示例中，本发明可以提供一种固态能量存储电池装置，其使用计算机模拟获得的阴极厚度优化来针对给定功率消耗曲线传递更多能量。在特定实施例中，两个电池单元串联连接以提高输出电压并满足所需功率。这两个电池单元是相同的且每个电池单元占总电池体积的一半。对于给定功率需求曲线，用于电池单元的阴极厚度被优化成使得包括两个电池单元的电池传递最大能量。表2：不同阴极厚度下电池输出能量的高通量模拟和阴极厚度优化如以上表2所示，阴极厚度影响所设计的电池的能量输出，并且对于给定的功率曲线，最佳阴极厚度为0.7μm。对于任何给定功率曲线，使用计算机模拟的相同方法可用来确定最佳阴极厚度或另一电化学电池单元层的厚度。在第六示例中，本发明可以提供使用相对于一种市售电池性能的计算机模拟投影的电池性能的固态能量存储电池装置。表3：不同功率需求案例的封装电池能量的比较在该示例中，对于不同功率需求案例，最佳阴极厚度略有不同，这导致不同的电池输出能量。这在上表3中示出。如果假设裸电池单元与封装电池体积比为85％，则两种设计的封装电池的总能量分别为22.5wh和24.9wh。这两个案例均显示出相对于常规电池装置的显著改进，比如表中所示的具有14.8wh能量的竞争对手电池。图11是根据本发明实施例的电化学电池单元的截面图的简化图。在一实施例中，薄膜固态锂电池中的最小单元按如图11所示的顺序包括基板201、阴极阻挡层202、阴极集电器203、阴极204、电解质205、阳极206、阳极集电器207、阳极阻挡层208。通过使用物理气相沉积技术将阴极阻挡层202、阴极集电器203、阴极204、电解质205、阳极206、阳极集电器207和阳极阻挡层208沉积在基板层201的顶部上。物理气相沉积(pvd)过程通常称为薄膜过程，是原子沉积过程，其中材料从固体或液体源材料中以原子或分子形式汽化，以蒸气形式通过真空或低压气体等离子体室输送到基板，其在基板上冷凝形成膜层材料。在此，术语“薄膜”适用于厚度为几微米或更小的量级的层。可以采用pvd过程以使用反应性沉积过程来沉积元素和合金以及化合物的膜。所得膜的范围可以从单晶到非晶，从完全致密到小于完全致密，从纯到不纯以及从薄到厚。为了在特定实施例中最大化电池装置的能量密度，使用数学模型来促进此。薄膜固态电化学电池单元中的基板层201为以下各层提供机械支撑。因此，其必须具有以承受由于随后的后续沉积层而引起的感应重量和应力的刚度。因此，典型的基板将是厚而硬的材料。基板可以是厚度为6微米或更小优选地厚度为2微米或更小的薄膜金属基板。薄膜金属基板可以是具有纵向长度的金属箔带，电池装置包括沿着纵向长度沉积的多个固态电化学电池单元，并且其中沉积在带基板上的相邻固态电化学电池单元之间的距离在基板的纵向长度的方向上增加。相反，可以使用薄聚合物尤其是聚对苯二甲酸乙二酯(pet)作为基板，其中基板的厚度小于10微米。尽管不希望的材料会渗入聚合物基板或从聚合物基板中渗出，但pet可用于减少电池装置的寄生质量。为了防止氧气和湿气从pet基板扩散到阴极和阴极集电器中，可以在pet上方涂覆一层非常薄的铜镀层的金属化pet。这增加了电池装置的质量，但可以减少阴极的杂质并延长其寿命。pet上金属化金属的厚度约为埃米。在特定实施例中，在基板与装置的阴极集电器之间的阴极阻挡层202用于抑制锂与基板内部的水分的反应。有机材料可用于此功能。该层优选金属的氧化物、氮化物或磷酸盐。金属来自元素周期表的第4、10、11、13和14族。这些金属氧化物、金属氮化物或金属磷酸盐易于蒸发和沉积。在特定实施例中，该层的厚度为约0.1微米或更小。磷酸锂(lixpoy，其中x y<＝7)是最有前途的候选之一。该装置中的阴极203和阳极集电器207是必需的，以将电子电流从阴极向外部负载收集和传输。因此，它需要具有高电导率，其约为107s/m或更高。阴极和阳极集电器需要在其操作电压下化学稳定。阴极集电器相对于锂需要在1.5至5v的范围内稳定，而阳极集电器相对于锂需要在0至1v的范围内稳定。尽管集电器在电化学电池单元中是必需的以传输电子，但它不会贡献电池单元的电子能量。因此，它需要很薄才能减小体积和质量；然而，它不能太薄。穿过膜的电势降取决于膜的厚度，因为：其中，l是膜的长度，h是膜的厚度，σ是膜的电导率。因此，厚度不能低于特定值以最小化膜上的电势降。在特定实施例中，集电器的厚度在约0.1至约2微米之间。在该装置中，阴极电极材料204由无定形或结晶的锂化的过渡金属氧化物和锂化的过渡金属磷酸盐构成，其中金属来自元素周期表的第3-12族，优选为电导率为10-6至10-2s/m(最好大于10-3s/m)且离子扩散率为1x10-16至1x10-14m2/s的无定形锂化钒基氧化物。钒基氧化物覆盖在导电层上，阴极电极材料的特征在于层厚度在约0.2至约2微米之间。在特定实施例中，可以通过过程条件来调节电导率。该装置的固态玻璃状电解质205包括具有范围为从10-5至10-3s/m的离子电导率的无定形锂化氧氮化磷。可以通过氮浓度和蒸发过程条件来调节玻璃状电解质的离子电导率。该玻璃状电解质材料配置为覆盖在阴极电极材料上的电解质，玻璃状电解质材料能够在充电过程和放电过程中穿梭锂离子，玻璃状电极材料的特征在于层厚度在约0.1至约1微米之间。在该装置中配置为阳极206的负电极材料的固态层能够在充电过程和放电过程中将锂电化学地插入到li离子的主晶格或镀层中。该固态阳极层的层厚度在约0.2至约3微米之间，其必须是阴极容量的约几倍，以便它可以确保足够的锂浓度以通过电解质在阴极和阳极之间来回穿梭。在该装置中，阳极阻挡层208覆盖在阳极集电器上，用于抑制锂与外部湿气的反应。有机材料可用于此功能。该层优选金属的氧化物、氮化物或磷酸盐。金属来自元素周期表的第4、10、11、13和14族。这些金属氧化物、金属氮化物或金属磷酸盐易于蒸发和沉积。在一实施例中，该层的厚度为约0.1微米或更小。磷酸锂(lixpoy，其中x y<＝7)是最有前途的候选之一。在特定实施例中，通过物理气相沉积技术，以阻挡-阴极集电器-阴极-电解质-阳极-阳极集电器-阳极阻挡的顺序重复超过100次但小于3000次并且以阴极集电器-阴极-电解质-阳极-阳极集电器-阳极-电解质-阴极-阴极集电器的顺序在基板层的顶部重复2次以上该顺序以减少基板的层数并增加固态锂电池的体积能量密度，从而形成电化学电池单元。本领域普通技术人员将认识到其他变型、修改和替代。图12是根据本发明实施例的用于控制固态电池装置的系统的简化框图。此图示出了控制固态能量存储电池装置的系统的示例配置。如图所示，电池装置具有较薄和较厚阴极电化学电池单元。该装置连接到控制器，其连接到应用负载或功率负载、多个传感器(电压、电流和温度)以及充电器。可将一个以上电池装置耦合到控制器，并且可以将多个电池装置配置为模块或组。在第七示例中，ni-cd电池用于低温操作并在冷启动期间加热锂离子电池。图13示出了在不同温度下的两个不同电化学系统的能量密度。锂离子电池具有更高能量密度的优势，但它们受到更高操作温度的限制。ni-cd电池的能量密度低得多，但它们的操作温度范围非常宽，尤其是在低温下。设计用于电动车辆应用的电池系统时，需要考虑在总电池组体积和重量以及低环境温度下的电动车辆冷启动能力的约束下的最大能量输出。在此示例中，假设最坏的情况是电池组需要在-40℃下正常操作。因此，设计了混合能量存储系统解决方案，以利用锂离子电池的高能量密度和ni-cd电池的宽操作范围。表4示出了两个电池的有效材料性能。ni-cd电池在-40至0℃之间传递能量，以加热整个电池组。一旦将电池组加热达0℃，ni-cd和li离子电池都放电，以将能量和功率传递给电动机来驱动车辆。表明仅使用ni-cd电池的能量将整个电池组从-40℃加热至0℃后，具有29％ni-cd体积比和71％锂离子体积比的混合电池设计就可以实现最大能量输出。有效材料特性ni-cd电池li离子电池质量密度(kg/m3)42001700比热(j/k.kg)8301320表4：电池的有效材料特性在第八示例中，六个接通-断开开关连接到10个电池模块中的每个，并且被动态切换和配置为将电池组的输出电压保持在300v以上。在此示例中，电池组具有10个电池模块，每个模块包含23个较薄阴极电化学电池单元和23个较厚阴极电化学电池单元。在每个电池模块内部，首先将一个较薄阴极电化学电池单元和一个较厚阴极电化学电池单元并联连接，以形成基本电池组。有23个此类电池组串联连接以形成电池模块。在放电过程中动态切换10个电池模块之间的串联-并联连接配置，以调节电池组的输出电压，从而使输出电压高于300v。串联-并联连接配置的切换可通过打开和关闭连接到一个电池模块的六个接通-断开开关来实现。为了说明串联-并联连接配置在放电期间如何变化，假定由一个较薄阴极电池单元和一个较厚阴极电池单元并联构成的电池组的电压随时间和放电电流如下变化：vgroup＝3.7-0.0314it-0.0015i其中，vgroup是以伏特为单位的电池组的输出电压，i是以安培为单位的电池组的放电电流，t是以小时为单位的时间。图14a-14e是示出根据本发明实施例的通过电池组的放电的电池模块串联-并联连接配置的简化图。这些串联-并联配置可以是在上述第八示例中描述的电池组的示例。另外，图15是示出根据本发明实施例的通过电池组的放电来实现期望的电池模块串联-并联连接配置的接通-断开开关的状态的简化图。这些是用于调节电池组输出电压的动态开关，如第八示例。在放电开始时，串联-并联连接配置(配置1)在图14a中设定为1401，并且通过将开关的接通-断开状态设定为图15a中的1501来实现该配置。在该配置中，模块1、2和3并联连接；模块4、5和6并联连接；模块7和8并联连接；模块9和10并联连接；这些并联连接的模块组进一步串联连接。配置1由-3-3-2-2-表示。在t＝0hr时，电池组电压为337v。电池组通过50a电流放电。当电池组电压达到300v时，具有串联-并联连接配置1的放电阶段1在t＝0.62hr结束。在t＝0.62hr，将模块之间的连接配置切换为配置2，如图14b中的1402，并且通过将开关的接通-断开状态设定为图15b中的1502来实现该配置。配置2由-2-2-2-2-2-表示。使用模块的新的串联-并联连接配置，电池组电压为376v。当电池组电压达到300v时，电池组将以50a的电流连续放电直到t＝1.47hr。这是放电阶段2，从0.62hr至1.47hr。随后电池组在如图14c中的1403(节点“c”连接配置的两个部分)和图15c中的1503所示的配置3中的阶段3、在如图14d中的1404(节点“d”连接配置的两个部分)和图15d中的1504所示的配置4中的阶段4以及在如图14e中的1405(节点“e”连接配置的两个部分)和图15e中的1505所示的配置5中的阶段5放电。表5中详细列出了每个放电阶段的相应时间和电压。表明通过动态切换模块的串联-并联连接配置，电池组的输出电压保持在300v的目标值以上。表5：具有模块的不同串联-并联连接配置的在不同放电阶段的电池组电压与基于等效电路模型的卡尔曼滤波、基于等效电路模型的扩展卡尔曼滤波以及基于等效电路模型的无味变换的预测-校正滤波相比，基于多物理场的卡尔曼滤波、基于多物理场的扩展卡尔曼滤波和基于多物理场的无味变换的预测-校正滤波可以更好地估计状态变量和模型参数，因为与等效电路模型和其他降阶模型相比，基于多物理场的模型可以更好地捕获充电/放电过程中电池单元的动态。描述电池单元的多个物理过程的偏微分方程(pde)本质上是无穷大的，其不适用于卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波和无味变换的预测-校正滤波。这些pde必须先离散化并转换为状态空间形式，然后它们才能在卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波和无味变换的预测-校正滤波中使用。为了说明此想法，在第九示例中使用了基于一维扩散方程的简化电池模型。扩散方程为：其中边界条件为：以及初始条件为：t＝0,c(x)＝0。假设扩散通量与放电电流密度相关，如下：并且根据浓度相关的开路电压表查找电压：上述模型是仅考虑离子扩散的简化电池模型。真正的电池将比这包含更多的物理学和动力学。然而，此简化模型用于说明如何将pde转换为状态空间表示。可以使用对于空间导数的二阶有限差分来离散化扩散方程，而对于时间导数使用隐式欧拉。所得的差分方程为：a(h,d,dt)cn 1＝b(cn,j,h,d)其中，c＝[c1c2…cn]t状态空间则表示为：cn 1＝a-1(h,d,dt)b(cn,j,h,d)其中，输入为j或i(j＝i/f，其中f为法拉第常数)，输出为v，状态变量为向量c。一旦确定浓度，就可以通过平均浓度并通过最大嵌入浓度进行归一化来简单地计算电池单元的充电状态。所得的状态空间表示是非线性的。因此，非线性需要通过扩展卡尔曼滤波或基于无味变换的预测-校正滤波来处理。扩展卡尔曼滤波将随机变量的函数的期望值近似为随机变量的期望函数，并需要计算导数(雅可比矩阵)；在多物理场电池模型中实现耦合控制方程时，这很麻烦。基于无味变换的预测-校正滤波使用2n 1个sigma点(n是状态变量的维数)的统计量来近似期望值，无需计算导数(雅可比矩阵)，并实现了多物理场电池模型的实现控制可行。在xiangchunzhang,yen-hungchen,chia-weiwang和annmariesastry并转让给sakti3inc.的us8190384b2中给出了基于无味变换的预测-校正滤波的描述，其在此通过引用并入本文，其中基于无味变换的预测-校正滤波或预测-校正滤波与等效电路电池模型一起使用。如本发明所提供的，一旦将电池模型pde转换成针对一维扩散方程式所描述的状态空间表示，则所描述的滤波就可以与基于多物理场的电池模型一起使用。对于上述基于一维扩散的简化电池模型，使用d＝1[m2/s],0<t<1[s],v>3.4[v],j＝1[mol/(m2-s)]以及l＝1[m]。基于无味变换的预测-校正滤波很好地估计状态向量c。对于0.5<t<1，c的估计的第一元素的均方根误差约为0.28％，并且对于0.5<t<1，c的估计的最后元素的均方根误差约为0.18％。基于多物理场的电池模型具有多个pde，包括阳极中的传导和扩散、巴特勒-沃尔默动力学、电解质中的传导和扩散、阴极中的扩散和传导。这些方程式可以类似地转换为状态空间表示，并可以使用基于无味变换的预测-校正滤波来实现。在第十示例中，将多物理场电池模型与基于无味变换的预测-校正滤波一起使用，以估计阴极中li离子的浓度，其可以进一步用于直接计算电池单元的充电状态。图16a和16b是简化曲线图，其示出了正弦放电期间的电压响应1601(图16a)以及使用基于多物理场的无味变换预测-校正滤波在阴极和电解质界面处的估计浓度1602(图16b)的收敛。1602表明，估计浓度在约6个时间步长内迅速收敛到真实浓度。阴极中的估计浓度具有极好的精度，其中均方根误差小于约0.002％。用于基于多物理场的电池模型的模型参数可被先验地确定或者也可以与状态变量一起被估计。在一些实施例中，该装置可以包括：电池模块，其包括多个较薄和较厚阴极电池单元；或电池组，其包括多个电池模块，其中每个模块包括多个较薄且较厚阴极电池单元。在特定实施例中，电池组可以包括串联、并联或其组合连接的多个电池模块；其中电池模块包括串联、并联或其组合连接的多个电池单元；其中多个电池单元之间的串联和/或并联连接被动态改变以在充电和放电期间调节装置的电压；其中多个电池模块之间的串联和/或并联连接被动态改变以在充电和放电期间调节装置的电压；其中电池单元和/或模块之间的串联和/或并联连接在不同的串联-并联连接配置之间被动态切换，以实现期望的电池组和/或模块电压范围，实现模块和/或电池单元之间的平衡，旁路故障模块和/或电池单元，并准备模块和/或电池单元进行再充电。在一实施例中，每个电池单元和/或模块配置为与六个接通-断开开关相关以形成重复组；开关是晶体管；开关是场效应晶体管，其包括金属氧化物半导体场效应晶体管；通过配置所有接通-断开开关的接通和断开状态来实现电池单元和/或模块的不同串联-并联连接配置；一旦电池组和/或模块电压下降到设定点值以下或上升到设定点值以上，则动态切换连接配置。在一实施例中，该装置可以包括耦合到装置的充电器，该充电器配置为与能量源连接，从而以恒定电流再充电曲线或恒定电压再充电曲线对所述装置进行再充电，其中恒定电流之后是恒定电压再充电曲线。在特定实施例中，较薄阴极电化学电池单元配置为当环境温度低于设定点值时通过电加热来提供电能以加热较厚阴极电化学电池单元；温度设定点值范围为-50℃至50℃。还应理解，本文描述的示例和实施例仅用于说明性目的，并且关于其的各种修改或改变将被建议给本领域技术人员并且将包括在本申请的精神和范围以及所附权利要求的范围之内。当前第1页1 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技术特征：1.一种集成能量存储系统，包括：
第一多个能量存储单元，其包括铅酸电池、镍镉电池、镍金属氢化物电池、锂离子电池、锂离子聚合物电解质电池、锂离子聚合物凝胶电解质电池、锂离子固态电池、锂离子固态薄膜电池、金属空气电池、钠离子电池、镁离子电池、燃料电池单元、电容器和超级电容器中的一个或多个，其中第一多个能量存储单元在高于0℃的环境温度下其重量能量密度大于180wh/kg且体积能量密度大于450wh/l；
第二多个能量存储单元，其包括铅酸电池、镍镉电池、镍金属氢化物电池、锂离子电池、锂离子聚合物电解质电池、锂离子聚合物凝胶电解质电池、锂离子固态电池、锂离子固态薄膜电池、金属空气电池、钠离子电池、镁离子电池、燃料电池单元、电容器和超级电容器中的一个或多个，其中第二多个能量存储单元在高于0℃的环境温度下其重量功率密度大于450w/kg且体积功率密度大于1080w/l；
第三多个能量存储单元，其包括铅酸电池、镍镉电池、镍金属氢化物电池、锂离子电池、锂离子聚合物电解质电池、锂离子聚合物凝胶电解质电池、锂离子固态电池、锂离子固态薄膜电池、金属空气电池、燃料电池单元、电容器和超级电容器中的一个或多个，其中第三多个能量存储单元配置为在至少低至-50℃的环境温度下操作；以及
控制器，其被编程为从一个或多个电压传感器、一个或多个电流传感器和一个或多个温度传感器接收一个或多个输入，并且根据来自应用负载和环境温度的功率消耗在第一多个能量存储单元、第二多个能量存储单元和第三多个能量存储单元之间分配电流或功率。
2.根据权利要求2所述的系统，其中，所述控制器被编程为根据来自应用负载的功率消耗分配来自第二多个能量存储单元的电流或功率，并且所述第一多个能量存储单元配置为处理功率以延长操作时间。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述控制器被编程为当环境温度低于设定点值时向第三多个能量存储单元分配电流或功率，并且所述控制器配置为当环境温度高于操作温度下限时向至少第一多个能量存储单元或第二多个能量存储单元分配电流或功率。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述第一多个能量存储单元在高于0℃的环境温度下其重量能量密度大于200wh/kg且体积能量密度大于500wh/l。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，所述第二多个能量存储单元的重量功率密度大于500w/kg且体积功率密度大于1200w/l。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述第三多个能量存储单元配置为在低至-100℃的环境温度下操作。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其中，所述控制器被编程为将功率从第三多个能量存储单元传递到至少第一多个能量存储单元或第二多个能量存储单元以加热至少第一多个能量存储单元或第二多个能量存储单元。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述控制器被编程为使用来自一个或多个电压传感器的检测电压值、来自一个或多个电流传感器的检测电流值以及来自一个或多个温度传感器的检测温度来确定至少第一多个能量存储单元、第二多个能量存储单元和/或第三多个能量存储单元的充电状态或剩余容量。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述控制器被编程为使用至少第一多个能量存储单元、第二多个能量存储单元和/或第三多个能量存储单元的所确定的充电状态或剩余容量来平衡来自第一多个能量存储单元、第二多个能量存储单元和/或第三多个能量存储单元的功率传递。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其中，所述控制器包括配置为与能量源连接的电荷管理系统，使得该电荷管理系统可以对第一多个能量存储单元、第二多个能量存储单元和/或第三多个能量存储单元进行再充电。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的系统，其中，所述第一多个能量存储单元、第二多个能量存储单元和第三多个能量存储单元配置为串联或并联连接，以在充电和放电期间调节系统的电压。
12.一种能量存储电池装置，配置为以脉冲功率为应用负载提供能量，所述装置包括：
至少两个电化学电池单元，每个电化学电池单元至少包括阳极层、电解质层、阴极层和集电器层；
其中，电化学电池单元中的至少一个的特征在于较薄阴极层配置为供应能量用于脉冲功率消耗，该较薄阴极层的阴极厚度的范围为从0.01微米至120微米；
其中，电化学电池单元中的至少一个的特征在于较厚阴极层配置为供应能量用于低于脉冲功率的基准功率消耗，该较厚阴极层的阴极厚度的范围为从0.05微米至360微米；并且
其中，所述脉冲功率高于应用负载消耗的基准功率，并且持续不到一分钟。
13.根据权利要求11所述的装置，其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的钒氧化物及其变体的阴极材料，所述较薄阴极层的厚度的范围为从0.01微米至100微米，所述钒氧化物及其变体包括掺杂有ag、cu、fe、zn、ruo2及其组合的v2o5、v(2 y)o(5 z)(-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)、v3o8、lixv2o5(0≤x<3)、lixv(2 y)o(5 z)(0≤x<3,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)、lixv3o8(0≤x<4)、v6o13、v5o15、vo2、v2o4以及lixv(2 y)o(5 z)(0≤x<3,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的锰氧化物及其变体的阴极材料，所述较薄阴极层的厚度的范围为从0.01微米至110微米，所述锰氧化物及其变体包括掺杂有al、co、cr、cu、fe、mg、ni、pt及其组合的mn2o4、lixmn2o4(0≤x<2)、lixmn2 yo4 z(0≤x<2,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)、mn2o3、lixmn2o3(0≤x<2)以及lixmn2 yo4 z(0≤x<2,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的钴氧化物及其变体的阴极材料，所述较薄阴极层的厚度的范围为从0.01微米至120微米，所述钴氧化物及其变体包括掺杂有al、cr、cu、fe、mg、ni、mn、pt、zn及其组合的coo2、licoo2、lixco(1 y)o(2 z)(0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)以及lixco(1 y)o(2 z)(0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的锂锰钴氧化物及其变体的阴极材料，所述较薄阴极层的厚度的范围为从0.01微米至110微米，所述锂锰钴氧化物及其变体包括掺杂有al、f、fe、mg、si及其组合的ni1/3co1/3mn1/3o2、lini1/3co1/3mn1/3o2、lixni(1/3 y)co(1/3 z)mn(1/3 m)o(2 n)(0≤x<1.1,-1/3≤y≤2/3,-1/3≤z≤2/3,-1/3≤m≤2/3,-0.5<n<0.5)、lixni(1/3 y)co(1/3 z)mn(1/3 m)o(2 n)(0≤x<1.1,-1/3≤y≤2/3,-1/3≤z≤2/3,-1/3≤m≤2/3,-0.5<n<0.5)以及lixniycoz(0≤x<1.1,1/3≤y≤2/3,-1/3≤z≤2/3)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的磷酸铁及其变体的阴极材料，所述较薄阴极层的厚度的范围为从0.01微米至100微米，所述磷酸铁及其变体包括掺杂有ag、c、cu、fe、mg、mn、ti、zn及其组合的fepo4、lifepo4、mpo4(m＝v,mn,co,ni或fe)、limpo4(m＝v,mn,co,ni或fe)、lixm(1 y)p(1 z)o(4 m)(m＝v,mn,co,ni或fe,0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5,-0.5<m<0.5)以及lixm(1 y)p(1 z)o(4 m)(m＝v,mn,co,ni或fe,0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5,-0.5<m<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的硫、硫化锂及其变体的阴极材料，所述较薄阴极层的厚度的范围为从0.01微米至100微米，所述硫、硫化锂及其变体包括掺杂有碳的s8、li2s、li2s4、lixsy(0≤x<16,1≤y≤8)以及lixsy(0≤x<16,1≤y≤8)。
14.根据权利要求11或12所述的装置，其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的钒氧化物及其变体的阴极材料，所述较厚阴极层的厚度的范围为从0.05微米至300微米，所述钒氧化物及其变体包括掺杂有ag、cu、fe、zn、ruo2及其组合的v2o5、v(2 y)o(5 z)(-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)、v3o8、lixv2o5(0≤x<3)、lixv(2 y)o(5 z)(0≤x<3,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)、lixv3o8(0≤x<4)、v6o13、v5o15、vo2、v2o4以及lixv(2 y)o(5 z)(0≤x<3,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的锰氧化物及其变体的阴极材料，所述较厚阴极层的厚度的范围为从0.05微米至330微米，所述锰氧化物及其变体包括掺杂有al、co、cr、cu、fe、mg、ni、pt及其组合的mn2o4、lixmn2o4(0≤x<2)、lixmn2 yo4 z(0≤x<2,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)、mn2o3、lixmn2o3(0≤x<2)以及lixmn2 yo4 z(0≤x<2,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的钴氧化物及其变体的阴极材料，所述较厚阴极层的厚度的范围为从0.05微米至360微米，所述钴氧化物及其变体包括掺杂有al、cr、cu、fe、mg、ni、mn、pt、zn及其组合的coo2、licoo2、lixco(1 y)o(2 z)(0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)以及lixco(1 y)o(2 z)(0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的锂锰钴氧化物及其变体的阴极材料，所述较厚阴极层的厚度的范围为从0.05微米至330微米，所述锂锰钴氧化物及其变体包括掺杂有al、f、fe、mg、si及其组合的ni1/3co1/3mn1/3o2、lini1/3co1/3mn1/3o2、lixni(1/3 y)co(1/3 z)mn(1/3 m)o(2 n)(0≤x<1.1,-1/3≤y≤2/3,-1/3≤z≤2/3,-1/3≤m≤2/3,-0.5<n<0.5)、lixni(1/3 y)co(1/3 z)mn(1/3 m)o(2 n)(0≤x<1.1,-1/3≤y≤2/3,-1/3≤z≤2/3,-1/3≤m≤2/3,-0.5<n<0.5)以及lixniycoz(0≤x<1.1,1/3≤y≤2/3,-1/3≤z≤2/3)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的磷酸铁及其变体的阴极材料，所述较厚阴极层的厚度的范围为从0.05微米至300微米，所述磷酸铁及其变体包括掺杂有ag、c、cu、fe、mg、mn、ti、zn及其组合的fepo4、lifepo4、mpo4(m＝v,mn,co,ni或fe)、limpo4(m＝v,mn,co,ni或fe)、lixm(1 y)p(1 z)o(4 m)(m＝v,mn,co,ni或fe,0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5,-0.5<m<0.5)以及lixm(1 y)p(1 z)o(4 m)(m＝v,mn,co,ni或fe,0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5,-0.5<m<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的硫、硫化锂及其变体的阴极材料，所述较厚阴极层的厚度的范围为从0.05微米至300微米，所述硫、硫化锂及其变体包括掺杂有碳的s8、li2s、li2s4、lixsy(0≤x<16,1≤y≤8)以及lixsy(0≤x<16,1≤y≤8)。
15.根据权利要求11至13中任一项所述的装置，其中，所述电化学电池单元是使用气溶胶沉积过程或物理气相沉积(pvd)过程来制造的，所述过程包括通过热手段、电子束加热、电阻加热、感应加热、离子束加热、激光烧蚀、分子束外延、离子束辅助沉积(ibad)、紧密耦合升华、气体团簇离子束的pvd；通过动量转移、二极管溅射、磁控溅射、不平衡磁控溅射、高功率脉冲磁控溅射、rf溅射、dc溅射、mf溅射、圆柱形溅射、空心阴极溅射、溅射蒸发、离子束溅射、溅射离子簇、偏压溅射、阴极电弧、过滤后的阴极电弧的物理气相沉积；通过背景气体、离子束辅助沉积(ibad)、等离子体激活的pvd的反应性物理气相沉积、气溶胶沉积及其组合。
16.根据权利要求11至13中任一项所述的装置，其中，所述电化学电池单元是使用气溶胶沉积过程来制造的。
17.根据权利要求11至15中任一项所述的装置，其中，具有较薄阴极层的电化学电池单元可以传递大于500w/kg的重量功率密度和大于1200w/l的体积功率密度；其中，具有较薄阴极层的电化学电池单元可在低至-100℃的环境温度下操作；其中，具有较厚阴极层的电化学电池单元可以传递大于200wh/kg的重量能量密度和大于500wh/l的体积能量密度；其中，具有较厚阴极层的电化学电池单元可在高于0℃的环境温度下传递大于180wh/kg的重量能量密度和大于450wh/l的体积能量密度。
18.根据权利要求11至16中任一项所述的装置，还包括控制器接口，其配置为从所连接的应用负载中检测功率消耗水平，并且将大部分或全部放电电流和/或功率分配给用于所检测的高脉冲功率的较薄阴极电化学电池单元以及用于所检测的低基准功率的较厚阴极电化学电池单元；并且还包括耦合到所述装置的充电器，该充电器配置为与能量源连接，从而以恒定电流再充电曲线或恒定电压再充电曲线对所述装置进行再充电，其中恒定电流之后是恒定电压再充电曲线。
19.根据权利要求11至17中任一项所述的装置，还包括：电池模块，其包括多个较薄和较厚阴极电池单元；或电池组，其包括多个电池模块，其中每个模块包括多个较薄和较厚阴极电池单元。
20.根据权利要求11至18中任一项所述的装置，还包括：电池组，其包括串联、并联或其组合连接的多个电池模块；其中，所述电池模块包括串联、并联或其组合连接的多个电池单元；其中，所述多个电池单元之间的串联和/或并联连接被动态改变以在充电和放电期间调节所述装置的电压；其中，所述多个电池模块之间的串联和/或并联连接被动态改变以在充电和放电期间调节所述装置的电压；其中，电池单元和/或模块之间的串联和/或并联连接在不同的串联-并联连接配置之间被动态切换，以实现期望的电池组和/或模块电压范围、实现模块和/或电池单元之间的平衡、旁路故障模块和/或电池单元并准备模块和/或电池单元进行再充电；
其中，每个电池单元和/或模块配置为与六个接通-断开开关相关以形成重复组；所述开关是晶体管；所述开关是场效应晶体管，其包括金属氧化物半导体场效应晶体管；通过配置所有接通-断开开关的接通和断开状态来实现电池单元和/或模块的不同串联-并联连接配置；一旦电池组和/或模块电压下降到设定点值以下或上升到设定点值以上，则动态切换连接配置。
21.根据权利要求11至18中任一项所述的装置，其中，所述装置配置为从消费电子装置、车辆或电网向应用负载提供能量。
22.根据权利要求11至19中任一项所述的装置，其中，所述至少两个电化学电池单元沉积到厚度为6微米或更小优选地厚度为2微米或更小的薄膜金属基板上。
23.根据权利要求21所述的装置，其中，所述薄膜金属基板是具有纵向长度的金属箔带，所述装置包括沿着该纵向长度沉积的多个固态电化学电池单元，并且其中，沉积在带基板上的相邻电化学电池单元之间的距离沿基板的纵向长度的方向增加。
24.根据权利要求11至22中任一项所述的装置，其中，所述能量存储电池装置是固态装置，并且所述至少两个电化学电池单元是固态电池单元。
25.一种能量存储电池装置，配置为在低温启动期间为应用负载提供能量，所述装置包括：
至少两个电化学电池单元，每个电化学电池单元至少包括阳极层、电解质层、阴极层、集电器层；
其中，电化学电池单元中的至少一个的特征在于较薄阴极层配置为在-100℃至范围为从-50℃到50℃的设定点值的环境温度下供应能量，阴极厚度的范围为从0.01微米至120微米；
其中，电化学电池单元中的至少一个的特征在于较厚阴极层配置为在高于范围为从-50℃到50℃的设定点值的环境温度下供应能量，阴极厚度的范围为从0.05微米至360微米。
26.根据权利要求24所述的装置，其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的钒氧化物及其变体的阴极材料，所述较薄阴极层的厚度的范围为从0.01微米至100微米，所述钒氧化物及其变体包括掺杂有ag、cu、fe、zn、ruo2及其组合的v2o5、v(2 y)o(5 z)(-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)、v3o8、lixv2o5(0≤x<3)、lixv(2 y)o(5 z)(0≤x<3,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)、lixv3o8(0≤x<4)、v6o13、v5o15、vo2、v2o4以及lixv(2 y)o(5 z)(0≤x<3,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的锰氧化物及其变体的阴极材料，所述较薄阴极层的厚度的范围为从0.01微米至110微米，所述锰氧化物及其变体包括掺杂有al、co、cr、cu、fe、mg、ni、pt及其组合的mn2o4、lixmn2o4(0≤x<2)、lixmn2 yo4 z(0≤x<2,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)、mn2o3、lixmn2o3(0≤x<2)以及lixmn2 yo4 z(0≤x<2,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的钴氧化物及其变体的阴极材料，所述较薄阴极层的厚度的范围为从0.01微米至120微米，所述钴氧化物及其变体包括掺杂有al、cr、cu、fe、mg、ni、mn、pt、zn及其组合的coo2、licoo2、lixco(1 y)o(2 z)(0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)以及lixco(1 y)o(2 z)(0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的锂锰钴氧化物及其变体的阴极材料，所述较薄阴极层的厚度的范围为从0.01微米至110微米，所述锂锰钴氧化物及其变体包括掺杂有al、f、fe、mg、si及其组合的ni1/3co1/3mn1/3o2、lini1/3co1/3mn1/3o2、lixni(1/3 y)co(1/3 z)mn(1/3 m)o(2 n)(0≤x<1.1,-1/3≤y≤2/3,-1/3≤z≤2/3,-1/3≤m≤2/3,-0.5<n<0.5)、lixni(1/3 y)co(1/3 z)mn(1/3 m)o(2 n)(0≤x<1.1,-1/3≤y≤2/3,-1/3≤z≤2/3,-1/3≤m≤2/3,-0.5<n<0.5)以及lixniycoz(0≤x<1.1,1/3≤y≤2/3,-1/3≤z≤2/3)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的磷酸铁及其变体的阴极材料，所述较薄阴极层的厚度的范围为从0.01微米至100微米，所述磷酸铁及其变体包括掺杂有ag、c、cu、fe、mg、mn、ti、zn及其组合的fepo4、lifepo4、mpo4(m＝v,mn,co,ni或fe)、limpo4(m＝v,mn,co,ni或fe)、lixm(1 y)p(1 z)o(4 m)(m＝v,mn,co,ni或fe,0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5,-0.5<m<0.5)以及lixm(1 y)p(1 z)o(4 m)(m＝v,mn,co,ni或fe,0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5,-0.5<m<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的硫、硫化锂及其变体的阴极材料，所述较薄阴极层的厚度的范围为从0.01微米至100微米，所述硫、硫化锂及其变体包括掺杂有碳的s8、li2s、li2s4、lixsy(0≤x<16,1≤y≤8)以及lixsy(0≤x<16,1≤y≤8)。
27.根据权利要求24或25所述的装置，其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的钒氧化物及其变体的阴极材料，所述较厚阴极层的厚度的范围为从0.05微米至300微米，所述钒氧化物及其变体包括掺杂有ag、cu、fe、zn、ruo2及其组合的v2o5、v(2 y)o(5 z)(-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)、v3o8、lixv2o5(0≤x<3)、lixv(2 y)o(5 z)(0≤x<3,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)、lixv3o8(0≤x<4)、v6o13、v5o15、vo2、v2o4以及lixv(2 y)o(5 z)(0≤x<3,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的锰氧化物及其变体的阴极材料，所述较厚阴极层的厚度的范围为从0.05微米至330微米，所述锰氧化物及其变体包括掺杂有al、co、cr、cu、fe、mg、ni、pt及其组合的mn2o4、lixmn2o4(0≤x<2)、lixmn2 yo4 z(0≤x<2,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)、mn2o3、lixmn2o3(0≤x<2)以及lixmn2 yo4 z(0≤x<2,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的钴氧化物及其变体的阴极材料，所述较厚阴极层的厚度的范围为从0.05微米至360微米，所述钴氧化物及其变体包括掺杂有al、cr、cu、fe、mg、ni、mn、pt、zn及其组合的coo2、licoo2、lixco(1 y)o(2 z)(0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)以及lixco(1 y)o(2 z)(0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的锂锰钴氧化物及其变体的阴极材料，所述较厚阴极层的厚度的范围为从0.05微米至330微米，所述锂锰钴氧化物及其变体包括掺杂有al、f、fe、mg、si及其组合的ni1/3co1/3mn1/3o2、lini1/3co1/3mn1/3o2、lixni(1/3 y)co(1/3 z)mn(1/3 m)o(2 n)(0≤x<1.1,-1/3≤y≤2/3,-1/3≤z≤2/3,-1/3≤m≤2/3,-0.5<n<0.5)、lixni(1/3 y)co(1/3 z)mn(1/3 m)o(2 n)(0≤x<1.1,-1/3≤y≤2/3,-1/3≤z≤2/3,-1/3≤m≤2/3,-0.5<n<0.5)以及lixniycoz(0≤x<1.1,1/3≤y≤2/3,-1/3≤z≤2/3)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的磷酸铁及其变体的阴极材料，所述较厚阴极层的厚度的范围为从0.05微米至300微米，所述磷酸铁及其变体包括掺杂有ag、c、cu、fe、mg、mn、ti、zn及其组合的fepo4、lifepo4、mpo4(m＝v,mn,co,ni或fe)、limpo4(m＝v,mn,co,ni或fe)、lixm(1 y)p(1 z)o(4 m)(m＝v,mn,co,ni或fe,0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5,-0.5<m<0.5)以及lixm(1 y)p(1 z)o(4 m)(m＝v,mn,co,ni或fe,0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5,-0.5<m<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的硫、硫化锂及其变体的阴极材料，所述较厚阴极层的厚度的范围为从0.05微米至300微米，所述硫、硫化锂及其变体包括掺杂有碳的s8、li2s、li2s4、lixsy(0≤x<16,1≤y≤8)以及lixsy(0≤x<16,1≤y≤8)。
28.根据权利要求24至26中任一项所述的装置，其中，所述电化学电池单元是使用物理气相沉积(pvd)过程来制造的，所述过程包括通过热手段、电子束加热、电阻加热、感应加热、离子束加热、激光烧蚀、分子束外延、离子束辅助沉积(ibad)、紧密耦合升华、气体团簇离子束的pvd；通过动量转移、二极管溅射、磁控溅射、不平衡磁控溅射、高功率脉冲磁控溅射、rf溅射、dc溅射、mf溅射、圆柱形溅射、空心阴极溅射、溅射蒸发、离子束溅射、溅射离子簇、偏压溅射、阴极电弧、过滤后的阴极电弧的物理气相沉积；通过背景气体、离子束辅助沉积(ibad)、等离子体激活的pvd的反应性物理气相沉积、及其组合。
29.根据权利要求24至26中任一项所述的装置，其中，所述电化学电池单元是使用气溶胶沉积过程来制造的。
30.根据权利要求24至28中任一项所述的装置，其中，具有较薄阴极层的电化学电池单元可以传递大于500w/kg的重量功率密度和大于1200w/l的体积功率密度；其中，具有较薄阴极层的电化学电池单元可在低至-50℃的环境温度下操作；其中，具有较厚阴极层的电化学电池单元可以传递大于200wh/kg的重量能量密度和大于500wh/l的体积能量密度；其中，具有较厚阴极层的电化学电池单元可在高于0℃的环境温度下传递大于180wh/kg的重量能量密度和大于450wh/l的体积能量密度。
31.根据权利要求24至29中任一项所述的装置，还包括控制器接口，其配置为通过检测环境温度并将大部分或全部放电电流和/或功率分配给用于不高于设定点值的所检测的低环境温度的较薄阴极电化学电池单元以及用于高于设定点值的所检测的高环境温度的较厚阴极电化学电池单元来向应用负载提供能量；温度设定点值范围为-50℃至50℃。
32.根据权利要求24至30中任一项所述的装置，其中，所述控制器包括配置为与能量源连接的电荷管理系统，从而以恒定电流再充电曲线或恒定电压再充电曲线对所述装置进行再充电，其中恒定电流之后是恒定电压再充电曲线。
33.根据权利要求24至31中任一项所述的装置，其中，所述较薄阴极电化学电池单元配置为当环境温度低于设定点值时通过电加热来提供电能以加热所述较厚阴极电化学电池单元；温度设定点值的范围为从-50℃至50℃。
34.根据权利要求24至32中任一项所述的装置，还包括：电池模块，其包括多个较薄和较厚阴极电池单元；或电池组，其包括多个电池模块，其中每个模块包括多个较薄和较厚阴极电池单元。
35.根据权利要求24至33中任一项所述的装置，还包括：电池组，其包括串联、并联或其组合连接的多个电池模块；其中，所述电池模块包括串联、并联或其组合连接的多个电池单元；其中，所述电池单元之间的串联和/或并联连接被动态改变以在充电和放电期间调节所述装置的电压；
其中，电池模块之间的串联和/或并联连接被动态改变以在充电和放电期间调节所述装置的电压；其中，电池单元和/或模块之间的串联和/或并联连接在不同的串联-并联连接配置之间被动态切换，以实现期望的电池组和/或模块电压范围，实现模块和/或电池单元之间的平衡，旁路故障模块和/或电池单元，并准备模块和/或电池单元进行再充电；
其中，通过配置所有接通-断开开关的接通和断开状态来实现电池单元和/或模块的不同串联-并联连接配置；每个电池单元和/或模块配置为与六个接通-断开开关相关以形成重复组；所述开关是晶体管；所述开关是场效应晶体管，其包括金属氧化物半导体场效应晶体管；一旦电池组和/或模块电压下降到设定点值以下或上升到设定点值以上，则动态切换连接配置。
36.根据权利要求34所述的装置，其中，所述装置配置为从消费电子装置、车辆或电网向应用负载提供能量。
37.根据权利要求24至35中任一项所述的装置，其中，所述能量存储电池装置是固态装置，并且所述至少两个电化学电池单元是固态电池单元。
38.一种控制能量存储电池装置的系统，该电池装置具有设计用于脉冲功率负载和低温启动的较薄阴极电化学电池单元和较厚阴极电化学电池单元，该系统包括：
电压传感器，其配置为监测电池装置的电压；
电流传感器，其配置为监测通过电池装置的电流；
电池温度传感器，其配置为监测电池的温度；
环境温度传感器，其配置为监测环境温度；以及
至少控制器，其配置为接收来自电压传感器、电流传感器和温度传感器的一个或多个输入，并传输控制信号以根据来自功率负载的功率消耗和环境温度在较薄阴极电化学电池单元和较厚阴极电化学电池单元之间分配大部分或全部放电电流和/或功率。
39.根据权利要求37所述的系统，其中，所述控制器配置为在所述较薄和较厚阴极电化学电池单元之间分配大部分或全部放电电流和/或功率；
所述大部分或全部放电电流和/或功率分配给：
当功率消耗在脉冲功率期间较高时和/或当环境温度处于范围为从-50℃至50℃的设定点值时的较薄阴极电化学电池单元；以及
当功率消耗在基准功率期间较低时和/或当环境温度高于设定点值时的较厚阴极电化学电池单元。
40.根据权利要求38所述的系统，其中，所述控制器配置为当环境温度低于设定点值时分配从较薄阴极电化学电池单元传递的能量/功率，并且使用该能量/功率的一部分来加热较厚阴极电化学电池单元。
41.根据权利要求37至39中任一项所述的系统，其中，所述控制器配置为动态改变固态能量存储电池装置中的电化学电池单元和/或模块之间的串联和/或并联连接，以在充电和放电期间调节所述装置的电压；其中，电池单元和/或模块之间的串联和/或并联连接在不同的串联-并联连接配置之间被动态切换，以实现期望的电池组和/或模块电压范围、实现模块和/或电池单元之间的平衡、旁路故障模块和/或电池单元并准备模块和/或电池单元进行再充电；
其中，通过配置所有接通-断开开关的接通和断开状态来实现电池单元和/或模块的不同串联-并联连接配置；每个电池单元和/或模块配置为与六个接通-断开开关相关以形成重复组；所述开关是晶体管；所述开关是场效应晶体管，其包括金属氧化物半导体场效应晶体管；一旦电池组和/或模块电压下降到设定点值以下或上升到设定点值以上，则动态切换连接配置。
42.根据权利要求37至40中任一项所述的系统，其中，所述控制器配置为使用来自电压传感器的所检测的电压值、来自电流传感器的所检测的电流值以及来自温度传感器的所检测的温度来确定较薄和较厚阴极电化学电池单元的充电状态和剩余容量；其中，所述控制器配置为使用电压查找、库仑计数、卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、基于无味变换的预测-校正滤波来确定电化学电池单元的充电状态；其中，所述控制器配置为使用基于物理的电池模型、等效电路电池模型和其他降阶电池模型以及卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、基于无味变换的预测-校正滤波来确定电化学电池单元的充电状态；其中，所述控制器配置为使用较薄和较厚电化学电池单元的所确定的充电状态和剩余容量以基于功率负载曲线和环境温度来平衡这些电池单元。
43.根据权利要求37至41中任一项所述的系统，其中，所述控制器包括配置为与能量源连接的电荷管理系统，从而以恒定电流再充电曲线或恒定电压再充电曲线对所述能量存储电池装置进行再充电，其中恒定电流之后是恒定电压再充电曲线；其中，所述控制器配置为基于这些相应电池单元中的每个的标称容量和充电状态向较薄阴极和较厚阴极电化学电池单元提供指定量的充电电流。
44.根据权利要求37至42中任一项所述的系统，其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的钒氧化物及其变体的阴极材料，所述较薄阴极层的厚度的范围为从0.01微米至100微米，所述钒氧化物及其变体包括掺杂有ag、cu、fe、zn、ruo2及其组合的v2o5、v(2 y)o(5 z)(-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)、v3o8、lixv2o5(0≤x<3)、lixv(2 y)o(5 z)(0≤x<3,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)、lixv3o8(0≤x<4)、v6o13、v5o15、vo2、v2o4以及lixv(2 y)o(5 z)(0≤x<3,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的锰氧化物及其变体的阴极材料，所述较薄阴极层的厚度的范围为从0.01微米至110微米，所述锰氧化物及其变体包括掺杂有al、co、cr、cu、fe、mg、ni、pt及其组合的mn2o4、lixmn2o4(0≤x<2)、lixmn2 yo4 z(0≤x<2,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)、mn2o3、lixmn2o3(0≤x<2)以及lixmn2 yo4 z(0≤x<2,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的钴氧化物及其变体的阴极材料，所述较薄阴极层的厚度的范围为从0.01微米至120微米，所述钴氧化物及其变体包括掺杂有al、cr、cu、fe、mg、ni、mn、pt、zn及其组合的coo2、licoo2、lixco(1 y)o(2 z)(0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)以及lixco(1 y)o(2 z)(0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的锂锰钴氧化物及其变体的阴极材料，所述较薄阴极层的厚度的范围为从0.01微米至110微米，所述锂锰钴氧化物及其变体包括掺杂有al、f、fe、mg、si及其组合的ni1/3co1/3mn1/3o2、lini1/3co1/3mn1/3o2、lixni(1/3 y)co(1/3 z)mn(1/3 m)o(2 n)(0≤x<1.1,-1/3≤y≤2/3,-1/3≤z≤2/3,-1/3≤m≤2/3,-0.5<n<0.5)、lixni(1/3 y)co(1/3 z)mn(1/3 m)o(2 n)(0≤x<1.1,-1/3≤y≤2/3,-1/3≤z≤2/3,-1/3≤m≤2/3,-0.5<n<0.5)以及lixniycoz(0≤x<1.1,1/3≤y≤2/3,-1/3≤z≤2/3)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的磷酸铁及其变体的阴极材料，所述较薄阴极层的厚度的范围为从0.01微米至100微米，所述磷酸铁及其变体包括掺杂有ag、c、cu、fe、mg、mn、ti、zn及其组合的fepo4、lifepo4、mpo4(m＝v,mn,co,ni或fe)、limpo4(m＝v,mn,co,ni或fe)、lixm(1 y)p(1 z)o(4 m)(m＝v,mn,co,ni或fe,0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5,-0.5<m<0.5)以及lixm(1 y)p(1 z)o(4 m)(m＝v,mn,co,ni或fe,0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5,-0.5<m<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的硫、硫化锂及其变体的阴极材料，所述较薄阴极层的厚度的范围为从0.01微米至100微米，所述硫、硫化锂及其变体包括掺杂有碳的s8、li2s、li2s4、lixsy(0≤x<16,1≤y≤8)以及lixsy(0≤x<16,1≤y≤8)。
45.根据权利要求37至43中任一项所述的系统，其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的钒氧化物及其变体的阴极材料，所述较厚阴极层的厚度的范围为从0.05微米至300微米，所述钒氧化物及其变体包括掺杂有ag、cu、fe、zn、ruo2及其组合的v2o5、v(2 y)o(5 z)(-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)、v3o8、lixv2o5(0≤x<3)、lixv(2 y)o(5 z)(0≤x<3,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)、lixv3o8(0≤x<4)、v6o13、v5o15、vo2、v2o4以及lixv(2 y)o(5 z)(0≤x<3,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的锰氧化物及其变体的阴极材料，所述较厚阴极层的厚度的范围为从0.05微米至330微米，所述锰氧化物及其变体包括掺杂有al、co、cr、cu、fe、mg、ni、pt及其组合的mn2o4、lixmn2o4(0≤x<2)、lixmn2 yo4 z(0≤x<2,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)、mn2o3、lixmn2o3(0≤x<2)以及lixmn2 yo4 z(0≤x<2,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的钴氧化物及其变体的阴极材料，所述较厚阴极层的厚度的范围为从0.05微米至360微米，所述钴氧化物及其变体包括掺杂有al、cr、cu、fe、mg、ni、mn、pt、zn及其组合的coo2、licoo2、lixco(1 y)o(2 z)(0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)以及lixco(1 y)o(2 z)(0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的锂锰钴氧化物及其变体的阴极材料，所述较厚阴极层的厚度的范围为从0.05微米至330微米，所述锂锰钴氧化物及其变体包括掺杂有al、f、fe、mg、si及其组合的ni1/3co1/3mn1/3o2、lini1/3co1/3mn1/3o2、lixni(1/3 y)co(1/3 z)mn(1/3 m)o(2 n)(0≤x<1.1,-1/3≤y≤2/3,-1/3≤z≤2/3,-1/3≤m≤2/3,-0.5<n<0.5)、lixni(1/3 y)co(1/3 z)mn(1/3 m)o(2 n)(0≤x<1.1,-1/3≤y≤2/3,-1/3≤z≤2/3,-1/3≤m≤2/3,-0.5<n<0.5)以及lixniycoz(0≤x<1.1,1/3≤y≤2/3,-1/3≤z≤2/3)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的磷酸铁及其变体的阴极材料，所述较厚阴极层的厚度的范围为从0.05微米至300微米，所述磷酸铁及其变体包括掺杂有ag、c、cu、fe、mg、mn、ti、zn及其组合的fepo4、lifepo4、mpo4(m＝v,mn,co,ni或fe)、limpo4(m＝v,mn,co,ni或fe)、lixm(1 y)p(1 z)o(4 m)(m＝v,mn,co,ni或fe,0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5,-0.5<m<0.5)以及lixm(1 y)p(1 z)o(4 m)(m＝v,mn,co,ni或fe,0≤x<1.1,-0.5<y<0.5,-0.5<z<0.5,-0.5<m<0.5)；其中，对于包括以无定形、结晶或半结晶形式的硫、硫化锂及其变体的阴极材料，所述较厚阴极层的厚度的范围为从0.05微米至300微米，所述硫、硫化锂及其变体包括掺杂有碳的s8、li2s、li2s4、lixsy(0≤x<16,1≤y≤8)以及lixsy(0≤x<16,1≤y≤8)。
46.根据权利要求37至44中任一项所述的系统，其中，所述电化学电池单元是使用物理气相沉积(pvd)过程来制造的，所述过程包括通过热手段、电子束加热、电阻加热、感应加热、离子束加热、激光烧蚀、分子束外延、离子束辅助沉积(ibad)、紧密耦合升华、气体团簇离子束的pvd；通过动量转移、二极管溅射、磁控溅射、不平衡磁控溅射、高功率脉冲磁控溅射、rf溅射、dc溅射、mf溅射、圆柱形溅射、空心阴极溅射、溅射蒸发、离子束溅射、溅射离子簇、偏压溅射、阴极电弧、过滤后的阴极电弧的物理气相沉积；通过背景气体、离子束辅助沉积(ibad)、等离子体激活的pvd的反应性物理气相沉积、及其组合。
47.根据权利要求37至44中任一项所述的装置，其中，所述电化学电池单元是使用气溶胶沉积过程来制造的。
48.根据权利要求37至46中任一项所述的系统，其中，具有较薄阴极层的电化学电池可以传递大于500w/kg的重量功率密度和大于1200w/l的体积功率密度；其中，具有较薄阴极层的电化学电池单元可在低至-100℃的环境温度下操作；其中，具有较厚阴极层的电化学电池单元可以传递大于200wh/kg的重量能量密度和大于500wh/l的体积能量密度；其中，具有较厚阴极层的电化学电池单元可在高于0℃的环境温度下传递大于180wh/kg的重量能量密度和大于450wh/l的体积能量密度。
49.根据权利要求37至47中任一项所述的装置，其中，所述能量存储电池装置是固态装置，并且所述至少两个电化学电池单元是固态电池。
技术总结一种集成能量存储系统可以包括第一、第二和第三能量存储单元和控制器。第一能量存储单元在高于0℃的环境温度下其重量能量密度可以大于180Wh/kg且体积能量密度大于450Wh/L，第二能量存储单元在高于0℃的环境温度下其重量功率密度可以大于450W/kg且体积功率密度大于1080W/L，并且第三能量存储单元可以配置为在低至‑100℃的环境温度下操作。可以对控制器进行编程，以接收来自电压传感器、电流传感器和温度传感器的输入，并根据来自应用负载和环境温度的功率消耗在第一、第二或第三能量存储单元之间分配电流或功率。
技术研发人员：A.M.萨斯特里;汪家伟;陈彦宏;张香春;金贤哲;郑明途
受保护的技术使用者：戴森技术有限公司
技术研发日：2018.09.07
技术公布日：2020.06.05
